Una aleación especial de silicio y germanio ofrece grandes posibilidades para las comunicaciones ópticas
El silicio ha sido la piedra angular de la industria electrónica durante más de cincuenta años. Sin embargo, el silicio, el germanio y sus aleaciones, como el SiGe, comparten una estructura cristalina que los hace ineficaces para emitir luz. Esa limitación ha influido profundamente en el desarrollo de la industria de semiconductores. En consecuencia, la industria evolucionó en dos áreas distintas. Por un lado, la industria electrónica depende del silicio, que destaca en el procesamiento electrónico avanzado pero no puede proporcionar una fuente de luz para la comunicación. Por otro, la industria de la comunicación depende de los semiconductores III-V, que son excelentes para emitir luz, pero carecen de la capacidad para manejar el procesamiento electrónico avanzado en el mismo chip.
De una estructura cúbica a una hexagonal
Un gran avance en la tecnología del silicio, promovido por el equipo del proyecto Opto silicon(se abrirá en una nueva ventana), financiado con fondos europeos, ha sido el desarrollo del SiGe hexagonal (hex-SiGe), un nuevo material capaz de emitir luz de forma eficiente. A diferencia del SiGe tradicional, cuyos átomos están dispuestos en una estructura cúbica y dificulta la emisión de luz, el hex-SiGe es un semiconductor de banda prohibida directa ideal para aplicaciones optoelectrónicas. Introduce nuevas capacidades críticas en la tecnología del silicio, como la generación de luz para ledes y láser, la amplificación de la luz en sistemas ópticos y la detección de la luz con alta eficiencia.
El potencial del SiGe para los dispositivos basados en la luz y el láser
Uno de los hitos clave fue la demostración de los primeros pozos cuánticos hex-Ge/SiGe —pequeñas capas de material que pueden atrapar y controlar la luz— con interfaces nítidas y limpias. El equipo observó claros indicios de confinamiento de portadores, lo cual significa que el material puede controlar eficazmente el movimiento de electrones y huecos, algo esencial para crear dispositivos emisores de luz eficientes. Los investigadores también confirmaron una alineación de bandas de tipo I, una propiedad que convierte a estos pozos cuánticos en ideales para crear láseres y fuentes monofotónicas de puntos cuánticos. «Hemos demostrado que los pozos cuánticos hex-SiGe pueden emitir luz con una vida útil radiativa de nanosegundos, lo cual demuestra que el material es muy eficiente para convertir energía en luz», señala el coordinador del proyecto, Jos Haverkort. «Mediante el ajuste preciso de la composición de las aleaciones hex-SiGe, pudimos ajustar la longitud de onda de emisión a tan solo 1,55 µm a temperaturas muy bajas (4 grados Kelvin), lo cual supone una mejora significativa con respecto a los 1,8 µm anteriores». Otro avance ha sido la observación de un aumento lineal de los modos de luz confinados dentro de un nanocable suspendido. El hallazgo aportó pruebas claras de la emisión estimulada, fundamental para crear láseres utilizando hex-SiGe. «Hemos medido una impresionante ganancia óptica de 545 cm^-1 en hex-SiGe, lo que demuestra su gran potencial para amplificar la luz. También estudiamos cómo los portadores de energía pierden energía, un proceso conocido como “enfriamiento del portador”», afirma Haverkort. «A diferencia de otros materiales, el SiGe hexagonal carece de interacciones ópticas polares con fonones, que suelen ralentizar este proceso de enfriamiento. Sorprendentemente, se descubrió que el tiempo de enfriamiento del portador en el material era comparable al de las estructuras láser InGaAs/InP».
Reducir los defectos del cristal
Dado que el SiGe hexagonal existe en una fase cristalina metaestable, el equipo también abordó los retos relacionados con los defectos de apilamiento I3, unas finas capas de SiGe cúbico que se forman ocasionalmente dentro del cristal hexagonal. Asimismo, el equipo amplió considerablemente los conocimientos sobre estas fallas y desarrolló métodos para reducir su densidad.
Dispositivos optoelectrónicos de nueva generación
El equipo de Opto silicon ha realizado importantes avances en la integración de hex-SiGe en plataformas de silicio sobre aislante, pero aún queda trabajo por hacer para desarrollar plenamente la tecnología. Los investigadores continuarán su labor en el proyecto Bright Chips, donde se centrarán en avanzar en las técnicas de crecimiento y lograr una perfecta integración planar del hex-SiGe.
